МИКРОБИОЛОГИЯ, 2007, том 76, № 2, с. 279-281
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ ^
УДК 579.83:579.262
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БИОПЛЕНОК БИНАРНОГО БАКТЕРИАЛЬНОГО СООБЩЕСТВА
© 2007 г. О. А. Могильная*1, Л. Ю. Попова**
*Институт биофизики СО РАН, Красноярск **Красноярский научный центр СО РАН Поступила в редакцию 03.04.2006 г.
Для образования бактериями структурированных сообществ основными условиями являются наличие локомоторных органов (жгутиков или пилей), синтез адгезинов и гликокаликса [1, 2]. Большинство бактерий обладают этими характеристиками. В настоящее время создано множество трансгенных микроорганизмов (ТМ), у которых ряд признаков проявляется в меньшей степени, чем у штаммов дикого типа. Непреднамеренный выпуск в открытые экосистемы возможен у ТМ, которые используются в сельском хозяйстве и ветеринарии. Они несут новую генетическую информацию для сообщества и могут создавать устойчивые ассоциации (биопленки) с аборигенными видами, что будет способствовать их пролонгированному выживанию в окружающей среде [3].
Одним из стрессовых факторов водной среды является концентрация растворенных неорганических ионов. Осмотический стресс может вызвать гибель, замедление роста и размножения бактерий. Тяжелые металлы, накапливающиеся в водных экосистемах, могут влиять на макро- и микробиологические сообщества. Бактерии имеют различные механизмы противодействия стрессу, вызванному тяжелыми металлами. Они включают связывание металла в комплексные соединения, перевод их в менее токсичные соединения и выведение из клетки [4, 5]. Необходимо учитывать, что в условиях кумулятивного действия абиотических факторов природного (вариабельность солености среды) и антропогенного происхождения (ионы тяжелых металлов) могут меняться межпопуляционные отношения и нарушаться микробное равновесие между видами в экосистеме. Возможно, выживаемость ТМ в условиях действия стрессовых факторов может возрасти при взаимодействии с микроорганизмами, обитающими в данной экосистеме. Экспериментальное подтверждение данного предположения получено при совместном культивировании ТМ с природными галотолерантными бактериями [6].
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: olalmo@ibp.ru).
Данная работа посвящена изучению структуры биопленок, образуемых при совместном росте галотолерантных бактерий Alcaligenes 8р. 1-1, выделенных из солоноватого озера Шира, и ТМ ВасШш subtilis 2335 при создании стрессовых условий (вариабельность содержания №С1 и наличие ионов меди в среде культивирования). В. subtilis 2335 несет плазмиду рБМБ105 с генами а2-интерферона человека и устойчивости к кана-мицину. Для образования биопленок на границе раздела воздух-жидкость клетки культивировали в пробирках без встряхивания при 22°С в течение 3 нед.
Монокультуры исследуемых штаммов формировали пленки на поверхности жидкости в средах возрастающей солености (0.05-5% №С1). При двойном стрессе, в присутствии в среде Си2+ и №С1, Alcaligenes 8р. 1-1 образовывал биопленки при низкой концентрации Си2+ (50 мг/л ). Увеличение содержания меди в питательной среде до 250 мг/л ингибировало образование структурированных сообществ. Бациллы в течение 1-2 сут после инокуляции агрегировались в хлопья в толще среды при максимальных концентрациях Си2+ (250 мг/л) и №С1 (5%). В дальнейшем агрегаты клеток распадались, и роста культуры не наблюдалось.
При совместном росте В. subtilis 2335/рБМБ105 с Alcaligenes 8р. 1-1 в средах возрастающей солености (0.05-5%) и максимального содержания ионов меди (250 мг/л) клетки бинарного сообщества образовывали тонкие неустойчивые пленки на границе жидкой и воздушной среды (рисунок). С помощью просвечивающей электронной микроскопии исследована структура биопленок бинарного сообщества, образовавшихся в среде, содержащей 2.5% №С1 и 250 мг/л Си2+. Просмотр вертикального сечения биопленок показал, что они являются неоднородными по толщине. На ультратонких срезах обнаруживалась гетерогенность по клеточному составу популяции биопленок. Основную массу составляли природные бактерии Alcaligenes 8р. 1-1. Это палочковидные клетки грамотрицательного типа с характерной плотной компактизацией ДНК в нуклеоплазме [7]. Клетки В. тЫШи 2335/рБМВ105 отличались более
280
МОГИЛЬНАЯ, ПОПОВА
Образование биопленки на поверхности жидкой среды при совместном росте природных галотолерантных бактерий Alcaligenes sp. 1-1 и ТМ B. subtilis 2335/pBMB105: появление первых микроколоний на поверхности (а); неоднородная по толщине 7-суточная биопленка (б); ультратонкий срез (поперечный) участка пленки, обращенного к воздушной среде (в); клетки B. subtilis (г); электронно-плотные скопления металла в цитоплазме и клеточной оболочке Alcaligenes sp. 1-1 (указано стрелками; д). Масштабная риска - 1 мкм.
воздух
«a i
7 с ' Т 'А-
\0
— W
(в)
мелкими размерами и электронно-плотной цитоплазмой. Два этих вида занимали различные ниши в биопленке. Доминирующий штамм Alcaligenes sp. 1-1 формировал собственно саму пленку, граничащую как с жидкой питательной средой,
так и с воздухом. Бациллы в виде небольших групп локализовались у верхнего края пленки, граничащего с воздухом. Вероятно, галотоле-рантные бактерии начинали расти на границе раздела, а бациллы сформировали микроколонии
МИКРОБИОЛОГИЯ том 76 < 2 2007
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БИОПЛЕНОК
281
позднее уже на имеющейся подложке из клеток природного штамма. Ранее мы показали, что в стрессовых условиях меняются межпопуляцион-ные взаимоотношения между данными штаммами [6]. В отсутствие стрессовых факторов B. и^-Ии 2335/pBMB105 оказывал бактериостатиче-ское действие на Alcaligenes 8р.; при 2.5% №С1 и 250 мг/л галотолерантные бактерии подавляли рост В. и^^Ш. Известно, что формирование микроколоний в многовидовых биопленках является адаптивной стратегией бактерий, способствующей их выживанию при взаимодействии с другими видами [8]. Мелкие электронно-плотные частицы металла локализовались в клеточной оболочке и в цитоплазме бактерий. Особенно интенсивно накапливали частицы меди бактерии Al-caligenes 8р. 1-1, у которых обнаруживались и более крупные скопления металла в цитоплазме (рисунок).
Таким образом, галотолерантные бактерии оказались более устойчивыми к используемой максимальной концентрации ионов меди и образовывали биопленки, однако В. и^Ии 2335/pBMB105 смог выжить в сообществе с природными бактериями, несмотря на их негативное влияние. Можно допустить возможность выживания ТМ в природных водных экосистемах в биопленках на различных поверхностях биотической и абиотической природы.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-05-64053.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Головлев Е.Л. Механизмы формирования биопленки - структурированной популяции Pseudomonas aeruginosa // Микробиология. 2002. Т. 71. № 3. С. 293-300.
2. Dunne WMJr. Bacterial adhesion: seen any good biofilms lately? // Clin. Microbiol. Rev. 2002. V. 15. № 2. P. 155-166.
3. Kreth J., Merritt J., Shi W, Qi F. Co-ordinated bacterio-cin production and competence development: a possible mechanism for taking up DNA from neighbouring species // Mol. Microbiol. 2005. V. 57. № 2. P. 392-404.
4. Harrison J.J., Ceri H, Stremick CA., Turner R.J. Biofilm susceptibility to metal toxicity // Environ. Microbi-ol. 2004. V. 6. P. 1220-1227.
5. Teitzel G.M., Parsek R. Heavy metal resistance of biofilm and planktonic Pseudomonas aeruginosa // Appl. Environ. Microbiol. 2003. V. 69. №. 4. P. 2313-2320.
6. Mogilnaya O, Lobova T., Kargatova T., Popova L. Biofilm formation by bacterial associations under various salinities and copper ion stress // Biofouling. 2005. V. 21. P. 247-255.
7. Mogilnaya OA, Kiselyova E.V., Medvedeva S.E., Puzir A.P., Guseynov OA, Kulyba N.P., Kozlov A.V. Immunoelectronmicroscopic study of the nucleoid structure of hydrogen bacteria // J. Basic Microbiol. 1992. V. 32. P. 381-387.
8. Rao D, Webb J.S., Kjelleberg S. Competitive interactions in mixed-species biofilms containing the marine bacterium Pseudoalteromonas tunicata // Appl. Environ. Microbiol. 2005. V. 71. P. 1729-1736.
МИКРОБИОЛОГИЯ том 76 < 2 2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.